中山大学分子生物学复习总结.docx
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中山大学分子生物学复习总结
1.原核基因组与真核基因组(prokaryoticgenomesandeukaryoticgenomes)
大小(size):
原核生物的一般都比较小,且变化范围也不大(最大/最小约为20)。
真核生物的一般要比原核生物的大很多,且变化范围也很大(最大/最小可达8万)
⏹基因结构(genestructure:
continuouscodingsequences,splitgenes)
原核基因组:
环状,较小;通常由单拷贝或低拷贝(low-copy)的DNA序列组成;基因排列紧密,较少非编码序列——“streamlined”
真核基因组:
多线状;大小一般要比类核基因组大好几个数量级,且变化范围很大;有大量的非编码序列(重复序列、内含子等)
⏹非编码序列(non-codingsequences:
repeatedsequences,introns)
局部分布的重复序列(localizedrepeatedsequences):
串联式(tandem)的高度重复序列(highlyrepeatedsequences):
重复单位的长度从几bp到几百bp,可重复几十万次或更多,常见于着丝粒、端粒和异染色质区域
散布的重复序列(dispersedrepeatedsequences):
短的散布式重复序列(shortinterspersedelements,SINEs):
500bp以下,可重复10^5次或更多,很多SINEs都是反转录转座子(retroposon);长的散布式重复序列(longinterspersedelements,LINEs):
5kb以上,可重复10^4次或更多,很多LINEs也是与反转录转座子相关的序列
内含子(intron):
I类(groupIintron)、II类(groupIIintron)、III类(groupIIIintron)、核mRNA内含子(nuclearmRNAintron),即剪接体内含子(spliceosomalintron)、核tRNA内含子(nucleartRNAintron)、古细菌内含子(archaebacterialintron)
⏹细胞器基因组(organellegenomes:
mitochondrialgenomes,chloroplastgenomes)
线粒体基因组:
在不同类型的生物中变化很大
多细胞动物:
细小、致密,没有或很少非编码序列
高等植物:
复杂、不均一,比动物的大得多
原生动物、藻类、真菌:
或偏向于动物型,或偏向于植物型,但又有其各自的独特之处
叶绿体基因组:
比较均一,85~292kb(大部分都在120~160kb之内)
2.转录(transcription)
(1)RNA聚合酶(RNApolymerase)
原核生物:
1种,全酶(holoenzyme)由核心酶与σ亚基组成,σ亚基的作用
真核生物:
3种,由多个亚基组成
cis-顺式、同一分子trans-反式、不同分子
invivo体内、细胞内invitro体外、无细胞体系
insitu原位insilico基于生物信息学的研究体系
sensestrand有义链)=nontemplatestrand
antisensestrand(反义链)=templatestrand
(2)顺式作用元件与反式作用因子(cis-actingelementsandtrans-actingfactors)
启动子(promoters)、增强子(enhancers)为顺式作用元件
原核启动子:
-10box(Pribnowbox),-35box
真核启动子:
I类,II类,III类
RNA聚合酶I识别的启动子(I类启动子,classIpromoters)
RNA聚合酶II识别的启动子(II类启动子,classIIpromoters)
RNA聚合酶III识别的启动子(III类启动子,classIIIpromoters)
增强子:
较多在真核生物中存在;能增强转录的元件,但又不是启动子的一部分(无位置、方向的限制),增强子常在启动子的上游,但也可以在基因内部(如内含子中)
转录因子(transcriptionfactors)为反式作用因子,真核基因的转录需反式作用因子
通用转录因子能使聚合酶结合到启动子上,形成预起始复合物(preinitiationcomplex),包括形成开启的启动子复合物(openpromotercomplex),但只能导致基础水平的转录
通用转录因子:
I类,II类,III类
II类因子:
PolymeraseII转录所需的通用转录因子
II类预起始复合物:
包含有RNA聚合酶II及6种通用转录因子:
TFIIA、TFIIB、TFIID、TFIIE、TFIIF、TFIIH。
TFIID在TFIIA的协助下,首先结合到TATAbox,形成DA复合物,然后TFIIB再结合上去。
TFIIF协助PolymeraseII结合到DNA链上(-34至+17区域)
TFIIHE、TFIIH结合到复合物体中,形成DABPolFEH预起始复合物
TFIID的结构及功能:
TFIID本身是一个复合物,含1个TATAbox结合蛋白(TATAbox-bindingprotein,TBP)和8~10个TBP相联因子(TBP-associatedfactors,TAFs,orTAFIIs)TATAbox结合蛋白(TBP):
序列非常保守的一种蛋白质(约38kD),包含180个氨基酸的羧基末端,该末端是TATAbox结合域(bindingdomain)、TBP是马鞍形的,结合到DNA双螺旋的小沟上,能使TATAbox弯曲80°
TBP相联因子(TAFIIs):
至少有8种,序列上也相当保守
主要功能:
促进转录、与启动子的元件相互作用(起始子、下游元件)、与基因特异转录因子相互作用、TAFIIs中的TAFII250还有酶的功能,如作为组蛋白乙酰转移酶
TFIIA:
在酵母中有2个亚基,在果蝇和人中有3个亚基;TFIIA可以看成是一种TAFII(与TBP结合,能稳定TFIID与启动子之间的结合);在体外体系中,TFIIA并非必不可少
TFIIB:
单亚基的因子(35kD);能把TFIID与TFIIF/PolII相连在一起,即是聚合酶II结合到预起始复合物所必需的;能与一些基因特异转录因子相互作用,促进转录
TFIIF的结构及功能:
由2条多肽构成:
RAP30与RAP70(RAPstandsforRNApolymeraseII-associatedprotein);RAP30与E.coli的σ因子有一定的同源性,能使TFIIF结合到PolII;FIIF与PolII结合后,能减少聚合酶与DNA之间非特异的相互作用,引导聚合酶到已结合有TFIID、TFIIA和TFIIB的启动子上
TFIIE:
有2个亚基(56kD,34kD),每个亚基在TFIIE中都有2个拷贝(总分子量约为200kD);能结合到DABPolF的复合体上,对转录有促进作用
TFIIH:
最后一个结合到预起始复合物的通用转录因子,结构、功能均复杂
功能之一是使PolII最大一个亚基的羧基末端域(CTD)磷酸化,即使PolIIA变为PolIIO,从而导致转录起始到转录延伸过渡;具有DNA解螺旋酶(helicase)的活性,这是聚合酶离开启动子往前转录(promoterclearance)所需的
I类因子(classIfactors):
PolymeraseI转录所需的通用转录因子
I类预起始复合物:
RNA聚合酶I和2种通用转录因子(I类因子):
SL1、UBF(上游结合因子,upstream-bindingfactor)
SL1
由TBP(TATAbox结合蛋白)与3种TAFs(TAFIs,TBP相联因子)组成的复杂蛋白质
SL1并不直接与启动子结合,但它能加强UBF与启动子的结合,促进预起始复合物的形成
SL1还是rRNA基因转录的物种特异性的决定因素之一
UBF
由2条多肽构成(97kD和94kD),而97kD的多肽即具UBF的活性
能与I类启动子的核心元件及UCE(上游控制元件)的位点结合,再与SL1一起,促进转录
III类因子(classIIIfactors):
PolymeraseIII转录所需的通用转录因子,有TFIIIA、TFIIIB、TFIIIC
TFIIIB和TFIIIC是所有在基因内部有III类启动子的基因的转录所需的,5SrRNA基因的转录还需要TFIIIA
TFIIIA
一类含“锌指”(zincfinger)的DNA结合蛋白的成员;锌指是4个氨基酸与1个Zn离子结合,再加上其他的氨基酸,构成手指状;在TFIIIA中,4个氨基酸是cys-cys-----his-his,一连9个锌指;锌指能使蛋白质与DNA紧密结合
TFIIIB和TFIIIC:
两者是一起共同起作用的
TFIIIC结合到基因内部的启动子中(如果是5SrRNA基因,则先有TFIIIA结合到启动子区),再帮助TFIIIB结合到启动子上游区(转录起始位点上游),而TFIIIB则帮助PolIII结合在起始位点周围;转录开始后,TFIIIC(或TFIIIA和C)被除去,而TFIIIB留在原位,可促进另一轮的转录
具外部启动子的基因的转录因子
TFIIIB含有TBP(TATAbox结合蛋白)及一些TAFIIIs,可结合到启动子的TATAbox,从而促进转录,可能还需要其他一些通用转录因子
TBP在3类转录因子中的作用
与TATAbox结合,组织预起始复合物(特别是对于没有TATAbox的启动子),促进转录
基因特异转录因子(激活子)
(1)基本结构:
一般有2个功能域即DNA结合域(DNA-bindingdomain)和转录激活域(transcription-activatingdomain);许多激活子还有二聚体化域(dimerizationdomain)
DNA结合域的结构
锌指(zincfingers):
不少激活子(如Sp1)都有该结构,锌指结构一般连续出现多次,由1个α-螺旋与1反向平行的β层片构成,α-螺旋上的2个AA和β层片上的2个AA与1个Zn离子结合,“指”上(α-螺旋上)的某些AA就决定了其与DNA结合的特异性
GAL4蛋白质(theGAL4protein):
酵母中的一种激活子,DNA结合域与锌指相似,但含有6个半胱氨酸和2个锌离子,有一个与DNA进行识别的区域(α-螺旋),决定其与DNA结合的特异性
核受体(thenuclearreceptors):
与甾体激素相互作用,组成激素-受体复合物,起激活子的作用,核受体的DNA结合域含有2个锌离子,每一个锌离子分别与4个半胱氨酸结合,参与形成一指状结构,其中一“指”(氨基末端的“指”)上有专门用于识别DNA特异序列的α-螺旋
同源异形域(homeodomains):
在很多激活子中都存在,由基因中的同源异形框(homeobox)编码,而同源异形框一般是基因中的一个外显子,约180nt,编码60AA,十分保守;同源异形框最初在果蝇的发育调节基因中发现,这些基因的突变称为同源异形突变(homeoticmutation),会引起躯体结构的重大改变;含同源异形框的基因又称为同源异形基因(homeoticgenes,homeobox-containinggenes)
每个同源异形域含3个α-螺旋,第二、第三个形成一种“螺旋-转折-螺旋”(helix-turn-helix)结构,而第三个螺旋起到识别DNA特异序列的作用;另外,同源异形域的氨基末端也插入到DNA的小沟中
bZIP和bHLH域:
又称碱性域(thebasicdomain),能与DNA结合及形成二聚体;b表示碱性区;ZIP表示亮氨酸拉链(leucinezipper);HLH表示“螺旋-环-螺旋”(helix-loop-helix)
bZIP:
每个单体构成亮氨酸拉链的一半:
在一条α-螺旋中,每7个AA就有1个leucine,因而leucine都在螺旋的一面;2个单体相互作用,就可构成一条“拉链”;与DNA结合的部分是“拉链”下的碱性区,它们必须在bZIP形成二聚体后,才能与DNA特异识别、结合
bHLH:
与DNA的复合体结构和bZIP-DNA复合体相似;helix-loop-helix为二聚体化域;较长的螺旋有碱性区,能与DNA特异结合
转录激活域似乎无特定且明显的结构,但可分3类:
酸性域(acidicdomains):
富含酸性氨基酸,如酵母GAL4的激活域
富含谷氨酰胺域(glutamine-richdomains):
富含谷氨酰胺,如Sp1中的2个激活域
富含脯氨酸域(proline-richdomains):
富含脯氨酸,如CTF中的激活域
(2)激活子的功能
1、促进通用转录因子结合到启动子上(促进TFIID结合到启动子(预起始复合物)、促进TFIIB结合到预起始复合物、促进TFIIF/PolII、TFIIE结合到预起始复合物)
2、促进RNA聚合酶II的全酶(holoenzyme)结合到启动子,形成完整的预起始复合物
3、至少在一些基因中,激活子通过促进整个全酶结合到启动子区域而激活转录
4、激活子是使增强子能远距离作用的原因
4种可能性(第三、四种可能性较符合实际情况):
Coiling(changeintopology)、Sliding、Looping、Facilitatedtracking(loopingandtracking)
(3)多顺反子转录与单顺反子转录
多顺反子转录是原核生物的转录方式:
操纵子(operons)Operon:
Agroupofcontiguous,coordinatelycontrolledgenes
经典模型:
乳糖操纵子(thelacoperon)有:
lacZ:
β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)基因、lacY:
半乳糖苷透过酶(galactosidepermease)基因、lacA:
半乳糖苷乙酰基转移酶(galactosidetransacetylase)基因、lacI:
调节基因(regulatorygene)、Operator:
操纵区、Repressor:
阻遏子(阻遏物)、Inducer:
诱导物(异构乳糖,allolactose)
通过阻遏基因(阻遏物)与操纵区,lacZ、lacY、lacA这3个结构基因是一起被调控的,它们组成了一个操纵子(thelacoperon)
阻遏的机制(两种假说)
聚合酶与阻遏物可一起结合在lacoperon的启动子区,阻遏物的作用只是阻止转录从起始状态进入延伸状态
阻遏物的作用是不让RNA聚合酶进入lacoperon的启动子(得到最新实验数据的支持)
阻遏物的调控是负调控(代谢物阻遏效应(cataboliterepression))
乳糖操纵子的调控还需正调控因子
cAMP在细胞中的浓度与葡萄糖的含量成反比,它与一种称为代谢物激活蛋白(cataboliteactivatorprotein,又称CAP)一起,起到正调控作用。
CAP-cAMP的结合位点在启动子的上游(与启动子紧密相邻),该位点称为激活物位点。
CAP-cAMP结合到激活物位点后,就会促进RNA聚合酶与DNA形成openpromotercomplex(CAP-cAMP能加快closedpromotercomplex的形成,从而提供了更多形成openpromotercomplex的机会),结果是促进转录。
乳糖操纵子的正调控
乳糖操纵子的启动子实际上是一种弱启动子,其-35box与原核启动子相应的共同序列相差甚大,因此才需要CAP-cAMP进行正调控;如果是强启动子(与共同序列十分相近),则不需要正调控,但这种情况会使得即使葡萄糖存在,乳糖操纵子也一样运作。
弱化作用的调控:
色氨酸操纵子(thetrpoperon)
合成代谢的操纵子,所编码的酶能把色氨酸前体分枝酸(chorismicacid)转化为色氨酸。
色氨酸浓度高,则关闭;色氨酸浓度低,则开启;具弱化子(attenuator),无CAP-cAMP调控
色氨酸操纵子有5个结构基因(EDCBA)及1个调节基因(R);启动子(trpP)与操纵区(trpO)在结构基因的上游,且操纵区完全在启动子里面;在调控中,色氨酸的作用是帮助阻遏物结合到操纵区,从而使操纵子关闭
弱化作用(attenuation)
在阻遏作用的基础上(色氨酸操纵子的阻遏作用较弱),能再降低转录水平10倍
前导区与弱化子转录物的第一种较稳定的结构有一终止子(ρ-independentterminator),能使弱化作用发生,转录终止
转录物的第二种较不稳定的结构没有终止子,转录能继续
色氨酸的多寡决定形成哪一种结构(在转录与翻译偶联的情况下)
在细菌中,当色氨酸操纵子的前导区转录后,翻译就开始
核糖体到达色氨酸密码子时,若色氨酸缺乏,核糖体不能前进,翻译受阻,前导区与弱化子转录物只能形成第二种结构;结构基因能转录;若色氨酸充足,前导肽的翻译能顺利完成,前导区与弱化子转录物能形成第一种较稳定的结构,导致弱化作用发生
调控能达成的必要条件
转录与翻译偶联,且速率大致相等
每个结构基因的转录产物都有其起始密码子,核糖体从各个基因的mRNA的起始信号(密码子)开始翻译,即结构基因的翻译与前导序列的翻译无关
细菌能符合这样的要求,说明其体系中各组分的协调性
单顺反子转录是真核生物的主要转录方式
(4)转录起始、延伸及终止
起始所需条件
原核生物:
RNA聚合酶全酶,启动子
RNA聚合酶(RNApolymerase):
α(40kD)、β(150kD),β‘(160kD)、σ(70kD):
specificityfactor
核心酶(coreenzyme):
β,β‘,2α,全酶(holoenzyme):
β,β‘,2α,σ
σ:
specificityfactor
全酶(holoenzyme)由核心酶与σ亚基组成
启动子(promoter):
聚合酶的结合位点(bindingsite),一般位于转录起始位点上游
Promoterstructure
共同序列(consensussequence):
Pribnowbox(-10box,DavidPribnow发现)、-35box(-10box与-35box的最佳距离为17±1bp)
下调突变(downmutation)上调突变(upmutation)
强启动子还有一些额外的元件,如E.coli编码rRNA的rrngene中的UPelement(上游元件),可提高表达数十倍
转录起始(transcriptioninitiation)Foursteps:
Formationofaclosedpromotercomplex
Conversionoftheclosedpromotercomplextoanopenpromotercomplex
Polymerizingthefirstfewnucleotides(upto10)whilethepolymeraseremainatthepromoter
Promoterclearance
真核生物:
RNA聚合酶,启动子,转录因子,染色质的合适结构(启动子区无核小体)
RNA聚合酶I(PolymeraseI):
largerRNAprecursor,位于核仁
RNA聚合酶II(PolymeraseII):
mRNAprecursors,snRNAs,位于核质
RNA聚合酶III(PolymeraseIII):
tRNAprecursors,5SrRNAprecursor,U6,etc位于核质
PolymeraseI、II、III都由多个亚基组成:
均有两个较大的亚基(>100kD)、另有多个较小的亚基(大部分<50kD),三种聚合酶都有一些共有亚基(commonsubunit)
RNA聚合酶II的结构:
研究得比较清楚的一种,有12个亚基(Saccharomycescerevisiae中)即Rpb1、Rpb2、Rpb3、Rpb4、Rpb5、Rpb6、Rpb7、Rpb8、Rpb9、Rpb10、Rpb11、Rpb12
核心亚基(coresubunits):
Rpb1,Rpb2,Rpb3,对聚合酶的活性必不可少,分别与原核RNA聚合酶的β’,β和α亚基同源,且功能也基本相同(Rpb3在聚合酶中也是有2个拷贝)
核心亚基Rpb1的特殊之处-------不均一性(heterogeneity):
在细胞内,有210kD和240kD两种形式(IIa和IIo);在体外,还有180kD这种形式(IIb)
共有亚基(commonsubunits):
与Rpb5,Rpb6,Rpb8,Rpb10,Rpb12相应的亚基,在3种RNA聚合酶中都存在,在3种聚合酶中都存在,说明它们是起着十分重要的作用,但具体的功能不很清楚
非必需亚基(nonessentialsubunits):
Rpb4,Rpb9,其基因的突变体在正常温度下仍有活力,但在较高或较低温度下则失去活力;Rpb4和Rpb7(必需的亚基)与启动子的识别有关(有点像σ因子)、Rpb9的功能不甚清楚
Rpb7和Rpb11:
另类亚基(不属于上述3类)、RNA聚合酶的活性所需(Rpb7与启动子的识别有关)
RNA聚合酶II的全酶(thepolymeraseIIholoenzyme):
RNA聚合酶II的所有亚基+部分通用转录因子+其他一些蛋白质因子
真核生物的启动子:
II类启动子:
与原核基因的启动子最相似,可含有四类元件(TATA区(TATAbox)、起始子(initiator)、下游元件(downstreamelement)、上游元件(upstreamelement)),前三类是核心启动子(corepromoter)的元件
TATA区(theTATAbox):
位于转录起始位点上游约25bp(以中部计,在酵母中可达50~70bp),共同序列为TATAAAA(inthenontemplatestrand,similartoprokaryotic-10box)
功能:
确定转录起始位点(一般是TATA区的第一个核苷酸后30bp);有时甚至是决定整个启动子是否有作用
有些基因的TATA区序列与其共同序列相差较大,而只在某些类型的细胞中才表达的基因则有明显的TATA区
有些基因甚至没有TATA区(看家基因(housekeepinggenes)、控制发育的基因)
起始子(initiator):
转录起始位点前后的保守序列,共同序列为:
PyPyANT/APyPy(Py:
pyrimidine、N:
anynucleotide、A:
transcriptionstartpoint)
有些基因仅有起始子序列作为其启动子
下游元件(downstreamelement):
某些基因的启动子中存在、位于转录起始位点下游,无共同序列
上游元件(upstreame
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